Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ современного состояния проблемы организации пропуска поездов по участку 7
1.1 Особенности оперативного управления перевозками 7
1.2 Информационное обеспечение оперативного управления перевозками 9
1.3 Отечественный и зарубежный опыт повышения качества диспетчерского регулирования движения поездов 11
1.4 Постановка проблемы исследования 19
2 Разработка предложений по повышению надежности алгоритмов пропуска поездов 20
2.1 Определение дополнительных приоритетов пропуска поездов по участку. 21
2.2 Формализация процесса принятия решений поездным диспетчером по выбору станций обгона поездов 26
2.3 Формализация процесса принятия решений поездным диспетчером по выбору станций скрещения поездов 35
2.4 Разработка методики выбора станций обгона и скрещения при равном приоритете поездов 43
2.5 Разработка технологии построения прогнозного графика движения поездов 56
2.6 Выводы по главе 63
3 Разработка способов повышения точности прогноза прибытия поездов на станции 64
3.1 Определение факторов, влияющих на время прибытия поездов 64
3.2 Построение зависимости значений интервалов между поездами от систем интервального регулирования движения поездов 67
3.2 Методика определения интервала попутного отправления, исключающего задержки обгоняющего поезда 79
3.4 Требования к развитию информационного обеспечения в системе диспетчерской централизации 82
3.5 Оценка влияния веса и длины поездов на перегонные времена хода 91
3.6 Выводы по главе 96
4 Оценка экономической эффективности мер по повышению качества пропуска поездов 98
4.1 Определение величины снижения простоя поездов на участке 98
4.2 Расчет экономического эффекта от внедрения метода повышения точности прогнозирования пропуска поездов 106
4.3 Выводы по главе 112
Заключение 114
Список использованных источников 116
- Отечественный и зарубежный опыт повышения качества диспетчерского регулирования движения поездов
- Формализация процесса принятия решений поездным диспетчером по выбору станций скрещения поездов
- Построение зависимости значений интервалов между поездами от систем интервального регулирования движения поездов
- Расчет экономического эффекта от внедрения метода повышения точности прогнозирования пропуска поездов
Введение к работе
Актуальность темы исследования. В условиях возрастающих потребностей в перевозках одной из важнейших задач является повышение качества текущего планирования пропуска поездов по диспетчерским участкам на основе внедрения в перевозочный процесс современных технологий.
Одной из ключевых задач, возникающих при построении текущих планов, является детализация регулировочных мер, направленных на ликвидацию возможных затруднений пропуска поездов.
Решение этой задачи осуществляется на основе построения прогнозного графика движения поездов, который в настоящее время строится диспетчером с использованием интуиции, опыта, выработанных эвристик. Попытки автоматизировать этот процесс и повысить точность построения прогнозного графика движения в ходе диспетчерского регулирования сталкиваются как с отсутствием надежных алгоритмов выбора станций обгона и скрещения, так и с низкой достоверностью прогноза времени проследования поездов по участку.
Одним из возможных путей решения проблемы является исследование признакового пространства обработки данных для планирования пропуска поездов по участку.
Другим путем решения проблемы может стать использование в расчетах вместо постоянных перегонных времен хода – переменных значений этого параметра, обусловленных различиями веса, длины состава и условий пропуска.
Указанные пути повышения качественных характеристик прогнозного
графика движения позволят повысить уровень диспетчерского
регулирования при организации пропуска поездов по участку, уточнить содержание и адресность регулировочных мер и тем самым повысить
качество текущего планирования, что определяет актуальность темы данного диссертационного исследования.
Степень разработанности темы исследования. Повышению качества оперативного управления перевозками и организации пропуска поездов посвящены работы А. К. Угрюмова, Е. М. Тишкина, В. А. Кудрявцева, И. М. Кокурина, Г. М. Грошева, Д. Ю. Левина, Г. А. Кузнецова, Г. А. Платонова и многих др.
Целью диссертационного исследования является повышение точности прогнозирования пропуска поездов по участку в ходе текущего планирования.
Для достижения поставленной цели требуется решить следующие основные задачи:
-
Разработать предложения по повышению точности расчета станций обгона и скрещения поездов на основе исследования признакового пространства обработки данных для планирования пропуска поездов.
-
Разработать способы повышения точности прогноза времени проследования поездов по участку путем введения в расчеты переменных значений перегонных времен хода, обусловленных различиями веса и длины состава, а также влияния различных систем интервального регулирования движением поездов.
-
Оценить экономическую эффективность предложенных мер по повышению точности прогнозирования пропуска поездов по участку.
Научная новизна работы заключается в следующем:
– разработаны предложения по повышению точности расчета станций обгона и скрещения поездов на основе введения дополнительных приоритетов пропуска, связанных с учетом времени явки и непрерывной работы локомотивной бригады, времени допустимого пробега локомотивов до очередного ремонта, степени выполнения графика движения, значений
веса и длины состава поездов, возможности их сдачи на соседний участок в расчетное время;
– предложен способ прогнозирования перегонных времен хода на основе объединения грузовых поездов по весу и длине состава в группы, различия между которыми оказывают значимое влияние на ходовые характеристики.
Практическая значимость работы. Полученные в диссертационном исследовании результаты использованы при выполнении научно-исследовательских работ в 2012-2014 гг. Институтом проблем транспорта им. Н. С. Соломенко Российской академии наук на тему «Определение технических и технологических особенностей задачи организации транспортных потоков».
Кроме того, результаты исследования используются при чтении курса «Управление эксплуатационной работой», преподаваемого в ФГБОУ ВПО ПГУПС.
Методы исследования. Для решения поставленных задач применены методы системного анализа, теории алгоритмов, теории вероятностей и математической статистики.
На защиту выносятся: предложение по введению дополнительных приоритетов пропуска поездов, позволяющих уточнить расчет станций обгона и скрещения; способ прогнозирования перегонных времен хода, позволяющих рассчитать время проследования поездов по участку; метод повышения точности прогнозирования пропуска поездов.
Достоверность результатов исследования обоснована
практическими расчетами применительно к реальным диспетчерским участкам Октябрьской ж. д.
Апробация работы. Основные результаты диссертационного
исследования докладывались и получили одобрение: на международной научно-практической конференции «Транспорт России: проблемы и
перспективы» (Санкт-Петербург, 2014 г.); на третьей, четвертой и пятой научно-технических конференциях «Интеллектуальные системы на транспорте» (Санкт-Петербург 2013, 2014, 2015 гг.); на научно-технических семинарах кафедры «Управление эксплуатационной работой» ПГУПС в 2012-2015 гг.
Публикации по теме диссертационной работы. По материалам диссертационного исследования опубликовано 8 печатных работ, в том числе 5 статей в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, определенных Высшей аттестационной комиссией.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка использованных источников из 118 наименований и 5 приложений. Основное содержание работы изложено на 129 страницах печатного текста, содержит 18 таблиц и 57 рисунков. Приложения представлены на 53 страницах.
Отечественный и зарубежный опыт повышения качества диспетчерского регулирования движения поездов
Г.М. Грошевым, В.А. Кудрявцевым, А.С. Башиловым в работах [16-22, 85, 86] отмечается важность развития информационно-аналитических и информационно-управляющих моделей в оперативном управлении движением поездов. Сформулированы эксплуатационно-технические требования автоматизированных систем, технология их работы. Е.М. Тишкиным [87] были рассмотрены основные вопросы и выработана концепция по автоматизированному построению графика движения поездов. В работе рассмотрены несколько подходов к моделированию построения графика на двухпутном участке: метод статического моделирования, метод нахождения кратчайшего пути на графе, комбинаторная задача. Методы признаны неподходящими к выполнению поставленной задачи. Было проведено исследование по формализации логики инженеров-графистов при построении графика, с протоколированием «мышления вслух». Была признана невозможность выработки общей методики построения по причине зрительного считывания информации человеком, параллельного его анализа, нахождения путей решения.
Г.И. Державцевым [24] разработаны методика и алгоритм прокладки поездов на однопутном участке с учетом их категории, составления расписания движения поездов. Задача решалась методом динамического программирования, теорией игр автоматов, регрессивным анализом, эвристическими методами. Предложенный алгоритм производит расчеты для составления нормативного графика движения поездов, т.к. в его работу закладывается возможность изменения времени отправления поездов со станции, удаление ниток поездов. Приоритеты поездов не учитываются.
В работе А.В. Карася [34] осуществлено моделирование пропуска поездов на двухпутном участке по станциям с учетом сложившейся на момент расчета поездной ситуации. Формализовано описание процесса обнаружения и автоматического решения конфликтных ситуаций. Производится автоматический расчет межпоездных и станционных интервалов, учитываются при решении конфликтных ситуаций приоритеты поездов. Результаты работы применимы исключительно для двухпутных участков.
А.И. Лизуновым в работах [51, 52] проведено исследование по разработке технологии оперативного управления движением поездов на диспетчерских участках. Предложена математическая модель прогнозирования движения поездов на двухпутных участках. Модель базируется на применении методов теории оптимального управления системами, динамического моделирования, решении многокритериальных задач оптимизации, эвристического анализа. Доказана эффективность применяемых методов для составления, прогнозного графика с учетом различной «ценности» поездов. Предусматривается и автоматизированный расчет, и ручное планирование. Приоритеты поездов вычисляются по выведенной формуле. Они зависят от категории поездов, их массы, длины, станций назначения, величины отставания от расписания.
В работах [96-107] А.В. Шипулиным проведено исследование, посвященное разработке системы автоматизированного построения прогнозного графика для оперативного планирования подвода поездов к сортировочным станциям. Для решения поставленных задач автором разработан алгоритм расчета в имитационной системе ИСТРА. Станционные интервалы, перегонное время хода рассчитываются по действующим методикам, не учитывается отклонение их значений от нормативных при построении графика. Произведены расчеты на имитационной модели, однако автором не раскрывается дальнейшее использование их в системе ГИД-Урал ВНИИЖТ (или в другой системе поддержки принятия решений) и экономическая эффективность. Вместе с тем продемонстрирована эффективность автоматизированного построения прогнозного графика в системе моделирования ИСТРА по разработанному автором методу.
Построение прогнозного графика в системе ГИД-Урал ВНИИЖТ [1, 14, 28] осуществляется по постоянным для всех поездов значениям перегонных времен хода и станционных интервалов, без учета категорий, условий пропуска, веса, длины составов поездов и т.д. Ограничения скорости необходимо вносить вручную, не учитываются отклонения от нормативных значений перегонных времен хода, интервалов между поездами по предыдущим участкам/перегонам. Осуществляется проверка конфликтов только среди попутных поездов (операции скрещения система не рассчитывает). При этом, при планировании операций обгона поездов, приоритет поездов определяется только их категорией. Прочие факторы, анализируемые в процессе пропуска поездов диспетчером по участку (время работы локомотивной бригады, длина и вес поезда и т.д.) не учитываются.
В Европе используется метод анализа времени блокировки (blocking time analysis). [111-116], который предусматривает построение графиков расстояние – время, позволяющих наглядно определять блок-участки, на которых поезда сближаются до минимально допустимого межпоездного интервала.
Идея метода состоит в том, что при определении межпоездного интервала недостаточно учитывать только длительность занятия впереди идущим поездом блок-участка, ограждаемого светофором с красным огнем.
Необходимо, чтобы при трехзначной автоблокировке минимальный межпоездной интервал был не менее «времени блокировки», когда впереди идущий поезд освободил рассматриваемый блок-участок, а следом идущий поезд находится перед светофором с зеленым огнем на расстоянии смены показания с желтого огня на зеленый и восприятия сигнального показания машинистом.
Формализация процесса принятия решений поездным диспетчером по выбору станций скрещения поездов
В11 - условие Р10 не выполняется на станции i–1 есть свободные пути в момент планируемого скрещения: путь для пропуска без остановки поезда;; для приема поезда к достаточной длины Lk - іпд 0, что позволяет выполнить скрещение на станции i–1 с помощью операторов, расположенных за (В11); W02 - команда зафиксировать предполагаемый вариант пропуска c остановкой поезда к и пропуском встречного; на станции i–1 и предложить его для выполнения; В03 - переход к организации пропуска поездов j и к после скрещения на станции i–1; B10, В12, В13 - условия Р09, Р11, Р12, не выполняются и необходимо выполнить скрещение на станции /–2 с помощью операторов, расположенных за (810), (В12), ф13); Р13 - выполняется условие: на станции /–2 отсутствуют свободные пути в момент планируемого скрещения: путь для пропуска без остановки поезда к; для приема поезда; достаточной длины: Lj - Lm О A04 - переговоры с диспетчером соседнего участка о выполнении скрещения с остановкой обоих поездов на станции /–2; В14 - условие Р13 не выполняется на станции /–2 есть свободные пути в момент планируемого скрещения: путь для пропуска без остановки поезда к; для приема поезда j достаточной длины - пд 0, что позволяет выполнить скрещение на станции г–2 с помощью операторов, расположенных за (В14); А05 - переговоры с диспетчером соседнего участка о выполнении скрещения с остановкой поездау и пропуска встречного к на станции /–2; В03 - переход к организации пропуска поездов j и к после скрещения на станции г–2 соседнего участка; В1 - условие Р1 не выполняется: п-1 -
Для формализации технологии построения прогнозного графика сводятся в один алгоритмы: определения приоритета поезда; выбора станции обгона и скрещения при равном приоритете, а также при необходимости безостановочного пропуска приоритетного поезда.
Для прогнозирования времени сдачи поезда с участка или прибытия его на станцию смену локомотива и/или локомотивной бригады, а также корректировки приоритетов поездов, необходимо при построении прогнозного графика определять длительность проследования его по участку. Прогноз длительности проследования поезда по участку (тпр), равен сумме времен хода по перегонам тхі участка; затрат времени на замедление r3J- и разгон трУ при приеме на станции с остановкой и длительностей стоянок тст;-:
Прогноз длительности проследования поезда по участку (тпр) позволяет: определять станции обгонов и скрещений; вычислять время предполагаемой сдачи поезда на соседний участок; проверять возможность своевременного прибытия поезда на станцию смены локомотива и/или локомотивной бригады; - проверять возможность своевременной передачи сдаточного поезда на соседний участок; - проверять движение пассажирских поездов по расписанию; - контролировать возможность использования выбранных станций скрещения и обгона или определять необходимость их корректировки.
Прогнозируемое время проследования по участку поездов с меньшим приоритетом увеличивается за счет затрат времени на обгон и скрещение с приоритетными поездами. Соответственно, изменяется планируемое время прибытия их на станцию смены локомотива или локомотивной бригады, сдачи их на соседний участок и т.д. Таким образом, приоритет поезда может изменяться в ходе пропуска его по участку. Для каждого поезда определяются минимальное t njn и максимальное t"njn времена прибытия его на конечную станцию (рис. 2.15):
При раннем времени прибытия возможно занятие дефицитного пути на технической станции. При позднем – опоздание поезда (под увязку локомотива и/или локомотивной бригады, простой других поездов и т.д.). При организации пропуска поездов по однопутному участку существует вероятность возникновения «затора» (см. рис.1.3 а, б), когда в результате ошибочных действий оперативно-диспетчерского персонала дальнейшее продвижение поездов установленным порядком исключается. Возникновение «заторов» поездов исключается при наличии не менее одного свободного пути на одном из разъездов, ограничивающих каждый перегон диспетчерского участка (рис. 2.16).
Построение зависимости значений интервалов между поездами от систем интервального регулирования движения поездов
На графике гистограммами разного цвета показано трёхблочное, двухблочное и в один блок-участок разграничение поездов. Красная линия отображает динамику изменения межпоездного расстояния, а синяя область – межпоездного интервала. На отметке 58650 м. поезда сближаются на расстояние двух блок-участков, на отметке 63920 м. расстояние между ними составляет один блок-участок и должно произойти снижение скорости второго поезда.
При скоростях V1 = 60 км/ч, V2 = 70 км/ч (табл. П.2.5.) может быть осуществлен обгон на станции Назия без снижения скорости второго поезда (рис. 3.25).
Методика действий аналогична и при расчётах на участках с четырехзначной сигнализацией и трёхзначной АБТЦ. В первом случае к сигнальным показаниям добавляется ЖЗО и начальное межпоездное расстояние соответствует четырем блок-участкам. При расчетах линий, оборудованных АБТЦ, необходимо учитывать длину ЗУ.
Данная методика позволяет определить интервал попутного отправления поездов, с учетом их параметров. Тем самым достигается уверенное движение на зеленые огни обгоняющего поезда, определяется станция обгона поездов, сокращаются затраты на подтормаживания следом идущего поезда, снижается нагрузка на его машиниста.
Для принятия решения о выборе станций обгона и скрещения основной информацией является прогнозируемое (ожидаемое) время прибытия поездов всех категорий на все станции диспетчерского участка, для чего должна быть создана и оперативно корректироваться база данных, содержащая следующую информацию: перегонные времена хода; затраты времени на разгон и замедление после остановок на станциях; станционные и межпоездные интервалы.
Все эти величины необходимы в условиях движения поезда на зеленые и желтые огни проходных светофоров, а также при наличии предупреждений об изменениях установленной скорости с учетом особенностей диспетчерского участка.
Источником постоянной информации о перегонных временах хода, затратах времени на разгоны и замедления, минимальных межпоездных и станционных интервалах является нормативный график движения поездов. В условиях движения поездов с отклонениями от нормативного графика дополнительно потребуется накапливать статистические данные об оценках математических ожиданий указанных величин, получаемых на основе обработки информации, поступающей от ДЦ о каждом поезде, пропущенном по диспетчерскому участку. При этом необходимо фиксировать условия продвижения поездов на зеленые и желтые огни светофоров, а также величины ограничений скоростей, указав места и сроки действия предупреждений.
Информацию о номере, весе и длины поезда, составе, локомотиве и локомотивной бригаде требуется получать из системы ГИД-Урал ВНИИЖТ. Предлагается дополнить существующие системы микропроцессорных диспетчерских централизаций фиксацией моментов времени: - освобождения последней изолированной секции маршрута прибывающим поездом (прибытие); - занятия первой секции маршрута отправляемым поездом (отправление); - занятия и освобождения всех блок-участков перегонов, освобождения, размыкания и занятия изолированных секций; - начала приготовления маршрутов; - открытия светофоров. Предлагается накапливать эти данные (рис. 3.26) в системе ДЦ с разделением по категориям поездов с учетом их веса, длины, типа локомотива, условий пропуска и особенностей вождения поездов машинистами и использовать для информационной поддержки принятия решений. Информация постепенно формируемой базы данных создаст набор ситуаций, позволяющий прогнозировать время прибытия поездов на станции участка методом выбора наиболее близкого значения для каждого поезда, в задаваемых диспетчером и автоматикой условиях его пропуска по диспетчерскому участку. При наличии исходных статистических данных и информации, поступаемой из системы ГИД-Урал ВНИИЖТ, происходит расчет перегонных времен хода, прогноз моментов времени прибытия и отправления поездов, выбор и корректировка станций обгона и скрещения. При этом, статистическая база должна постоянно пополняться поступающими данными. Предусматривается режим ранжирования машинистов по итогам их работы и возможность передачи данной информации в депо и прочие службы.
Расчет экономического эффекта от внедрения метода повышения точности прогнозирования пропуска поездов
Изменение станции скрещения объясняется повышением точности прогноза моментов времени прибытия поезда №3351 на станцию Подсевы (минимизация времени стоянок поездов №№ 3351 и 2960 при выполнении скрещения) и поезда №2960 на станцию Порхов (под скрещение с поездом №2257). Для поезда № 2960 103 на перегоне Подсевы - Лунево t p = 8,28 мин, на перегоне Лунево - Порхов t p = 21,9 мин. (см. П. 1.4, П. 1.5, П.4.4-П.4.6) максимальное значение F0 - Fnv (20,3 и 48,28 соответственно) при градации по длине составов поездов: х 57, 57 х 71, х 7\; а=3; n=2\; N=63; Fnp=4,98. Предупреждений о снижении скорости на данном перегоне и невыдержек перегонных времен хода по предыдущим нет. На перегоне Лунево -Подсевы для поезда № 3351 наибольшее значение разницы F0 - Fnp = 12,85 достигается при осуществлении градации по весу (х 1500, 1500 х 5000, JC 5000 а=3; «=21; N=63; Fnp=4,98) t p = 8,8 мин (см. П. 1.5, П.4.1-П.4.3).
При этом, на перегонах Роща - Порхов, у поезда № 3351 зафиксирована не выдержка перегонного времени хода, равная 24% (tx = 16 мин., при t" = 13 мин.). Таким образом, прогнозное перегонное время хода (t"p) поезда № 2272 по перегону Морино - Волот берется по среднему значению, с учетом 24% превышения:
Фрагмент прогнозного графика с скрещением поездов №4810 и №3363 на станции Волот Результаты прогнозирования перегонных времен хода всех поездов на данном фрагменте графика на основе статистических данных (П.1.1, П.1.2) и выполненных вычислений дисперсионного анализа (разд. 3.5, П.4.) сведены в табл. 4.2. Наложения на графики исполненного движения, построенные системой ГИД Урал-ВНИИЖТ, спрогнозированных результатов по предложенному методу показали, что средняя длительность стоянок поездов за сутки могла быть сокращена на 153 минуты (табл. 4.3). Разработанный алгоритм позволяет осуществлять автоматизированное построение прогнозного графика движения поездов, что достигнуто четкой формализации действий поездного диспетчера и повышением точности прогнозирования моментов времени прибытия поездов.
Эффективность работы алгоритма по снижению простоя поездов за сутки на участке Старая Русса – Кеб Октябрьской железной дороги № Изменение станций скрещения поездов Времяприбытия/отправления поездов Изменениевременипростояпоездов,мин. Номера поездов Станцияскрещенияпо ИГДП Станцияскрещенияпо ПГДП Изменение линии хода поезда, № ИГДП ПГДП 1 2272, 9 Морино Волот 3513 5:42 5:27 -15
Итого изменено станций скрещений: 5 Сокращение времени простоя поездов за сутки 153 Расчет экономического эффекта от внедрения метода повышения точности прогнозирования пропуска поездов
Правильная организация автоматизированного рабочего места поездного диспетчера на участке за счет внедрения и развития информационного, программного, технологического и эргономического обеспечения позволяет в том числе [74]: - иметь своевременную точную информацию о реальном подходе поездов к стыковым пунктам и техническим станциям; - регулировать движение поездов на участке на основе использования автоматически разрабатываемого прогнозного графика.
Определение экономии эксплуатационных расходов
В соответствии с действующими методиками [64, 70, 73-75], экономический эффект от развития информационного обеспечения поездного диспетчера при построении прогнозного графика достигается в конечном счете за счет повышения участковой скорости (в результате улучшения качества регулирования движения поездов), что ведет к ускорению оборота вагонов и более производительному использованию локомотивов.
Для выполнения расчета экономии эксплуатационных расходов были взяты в качестве исходных данных характеристика участка Старая Русса - Кеб Октябрьской железной дороги и результаты расчетов эффективности предложенных мер (разд. 4.1): - длина диспетчерского участка /уч = 166,96 км; - среднесуточные размеры грузового движения на участке iVy4 = 42 поездов; - расходная ставка одного поезда-часа (при тепловозной тяге) еп_ч = 2254,82 руб. Для определения процента повышения участковой скорости (а) был произведен расчет значений участковой скорости по исполненному (1 гд) и прогнозному (Ку"гд) графикам движения поездов (табл. 4.4, 4.5). При расчете Ку"гд учтено сокращение времени простоя поездов, равное 2,2 ч. (без учета сокращения времени простоя поезда 8812 (см. табл. 4.3)).